细胞与细胞外基质之间的机械相互作用在生物系统中是普遍存在的。在纤维基质上，细胞具有招募邻近纤维的能力，从而增强了自身的粘附性，促进了机械信号的产生。然而，高模量的基质阻碍了纤维的招募，限制了细胞的机械反应。
最近，通过利用明胶固有的溶胀特性，我们制备了能够协调纤维募集和纤维模量柔性纤维材料，相关研究成果发表在《Nano Letters》上，题为《Fiber flexibility reconciles matrix recruitment and fiber modulus to promote cell mechanosensing》。纤维的高柔顺性同时促进了纤维的分布、可变形性和模量的优化，有助于促进细胞的机械传感。
首先，通过对GelMA的接枝率和静电纺丝参数进行调整制备了具有取向和无规两种结构且模量可调控的的GelMA纳米纤维（图1a）。得益于GelMA材料固有的溶胀特性，所制备纳米纤维具有较强的柔顺性，纤维能够在一定区域内自由移动（图1b-f）。
图3. 基于FRET的肌动蛋白张力探针，用于检测水凝胶和柔性纤维网络上细胞内力的水平。
通过对细胞内力相关标志物进行免疫荧光染色和统计，并结合基于Förster共振能量转移(FRET)技术的肌动蛋白张力探针，验证了不同材料上细胞内力的水平（图2，3）。结果显示，柔性的引入缓解了先前文献所叙述的高刚性纤维网络对细胞机械传感的不利影响(Nature materials, 2015, 14, 1262-1268)，并且观察到与排取向结构相比，柔性纤维网络的无规结构促进了细胞内力的产生。
纤维的荧光图像显示，细胞在所有模量的纤维网络上都表现出较强的纤维募集能力，导致细胞周围纤维的大量聚集。而对细胞内力和细胞黏附能力的破坏会显著影响细胞对纤维的重组，并且纤维募集的丧失也会显著影响细胞所产生的应力水平（图4）。
通过引入描述细胞形态和机械张力之间关系的二维拉普拉斯定律模型，进一步探究了取向纤维和无规纤维在机械传感机制上的差异。结果表明，在无规纤维上，由于细胞施加的牵引力的方向与纤维的取向方向不同，导致纤维发生弯曲，从而促使细胞的边缘形成搭桥结构，最终促进细胞内力的增强。
这项研究揭示了纤维募集对细胞机械传感的影响，并介绍了纤维柔顺性作为一种以前未被探索的新特性，为新型生物材料的设计和开发提供了一个创新的视角。
文章的第一作者是博士生董翔宇，通讯作者是魏强研究员和刘晓静博士。
论文详情请点击：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c00923
魏强老师点评：
这个工作见证了一位硕士研究生和他的导师的共同成长。
董翔宇同学三年半前考研进入我们团队，没有任何生物背景。一开始做这个课题觉得难度很大。
之前文献认为soft fiber更容易被募集，stiff fiber更容易平衡细胞牵引力，两者平均的结果是fiber的stiffness对细胞粘附牵引力影响不大。
这个课题，一开始我们只是打算研究模拟ECM的random和align排列的soft fiber对细胞募集fiber建立牵引力的影响。研究过程中发现fiber溶胀之后变得flexible，更容易被细胞募集。募集绷紧之后，modulus的影响会浮现出来，可以通过协调flexibility和modulus来促进细胞牵引力的建立。
第一年翔宇同学做得非常痛苦，纺丝与细胞成像难度都较大，遇到实验困难就想放弃，不愿意攻坚。第一年结束没有像样数据，几乎做崩溃。
第二年我重新给他一个简单课题用于毕业，想着他以后都不会有攻坚能力，做一些小课题顺利毕业就好。谁知他顺利完成小课题发表文章之后，信心大增，否决了我安排的后续小课题，全身心投入主课题。并且打通任通二脉，开启创造力，用组上的3D打印机打出各种小工具来解决实验中的技术难题。最漂亮的是打印3D支架用来承接单层fiber，清晰观察到fiber的flexibility和在细胞力作用下的募集。最终又经过一年多的努力工作，发现有意思现象，漂亮完成课题。
目前，翔宇同学已经是我们团队的医工交叉学位博士生，读华西临床医学院的医学学位，并开展更有挑战性的工作，预祝取得更好成绩。
本文投稿Nano Letters，经历2轮大修，2轮小修，审稿人非常认真负责。个人很喜欢Nano Letters不需要堆砌浮夸数据，精简直接的风格。该工作fiber纺丝还得到崔文国大侠指点关键技术要点。同时感谢团队另一位核心，刘晓静博士对翔宇同学的指导和帮助。
前面提到的random和align排列的soft fiber对细胞募集fiber建立牵引力的影响，我们团队其他同学开发其他实验工具得到了有意思结果，细胞对排列的相应和stiffness有关。敬请关注我们的后续工作